Različite vrste baterija i njihova primjena

Baterija je skup jedne ili više stanica koje prolaze kroz kemijske reakcije da bi stvorile protok elektrona u krugu. Puno se istražuje i napreduje u tehnologiji baterija, a kao rezultat toga, probojne tehnologije trenutno se iskušavaju i koriste u cijelom svijetu. Baterije su ušle u igru zbog potrebe za skladištenjem generirane električne energije. Koliko god se generirala dobra količina energije, bilo je važno pohraniti energiju kako bi se mogla koristiti kad nestane proizvodnje ili kada postoji potreba za napajanjem samostalnih uređaja koji se ne mogu držati prikopčanima za napajanje iz mreže. Ovdje treba napomenuti da se u baterije može pohraniti samo istosmjerna struja, a ne može se pohraniti izmjenična struja.

Baterijske ćelije obično se sastoje od tri glavne komponente;

Anoda (negativna elektroda)
Katoda (pozitivna elektroda)
Elektroliti

Anoda je negativna elektroda koja stvara elektrone u vanjskom krugu na koji je spojena baterija. Kad su baterije spojene, na anodi se pokreće nakupljanje elektrona što uzrokuje potencijalnu razliku između dviju elektroda. Tada se elektroni pokušavaju preraspodijeliti, elektrolit to sprečava, pa kad je priključen električni krug, on pruža jasan put da se elektroni pomaknu od anode do katode i tako napajaju krug na koji su povezani. Promjenom rasporeda i materijala koji se koriste za izradu anode, katode i elektrolita možemo postići mnogo različitih vrsta baterija, što nam omogućuje projektiranje različitih vrsta baterijskih ćelija. U ovom članku razumijemo različite vrste baterija i njihovu upotrebu, pa krenimo.

Vrste baterija

Baterije se općenito mogu klasificirati u različite kategorije i vrste, u rasponu od kemijskog sastava, veličine, faktora oblika i slučajeva upotrebe, ali pod svim su to dvije glavne vrste baterija;

Primarne baterije
Sekundarne baterije

Pogledajmo dublje kako bismo shvatili glavne razlike između primarne i sekundarne stanice.

1. Primarne baterije

Primarne baterije su baterije koje se ne mogu puniti nakon što se isprazne. Primarne baterije su izrađene od elektrokemijskih ćelija čija se elektrokemijska reakcija ne može poništiti.

Primarne baterije postoje u različitim oblicima , od ćelija novčića do AA baterija. Obično se koriste u samostalnim aplikacijama gdje je punjenje nepraktično ili nemoguće. Dobar primjer toga su vojni uređaji i oprema na baterije. Bilo bi nepraktično koristiti punjive baterije jer će punjenje baterije biti zadnja stvar na umu vojnika. Primarne baterije uvijek imaju visoku specifičnu energiju, a sustavi u kojima se koriste projektirani su tako da troše malu količinu energije kako bi baterija mogla što dulje trajati.

Neki drugi primjeri uređaja koji koriste primarne baterije uključuju; Kreatore koraka, tragače za životinjama, ručne satove, daljinske upravljače i dječje igračke da pomenemo neke.

Najpopularnija vrsta primarnih baterija su alkalne baterije. Imaju visoku specifičnu energiju, ekološki su prihvatljivi, isplativi i ne propuštaju čak i kada se potpuno isprazne. Mogu se čuvati nekoliko godina, imaju dobru sigurnosnu evidenciju i mogu se nositi u zrakoplovu bez podlijeganja UN-ovim Prometnim i drugim propisima. Jedini nedostatak alkalnih baterija je struja slabog opterećenja, koja ograničava njihovu upotrebu na uređaje s niskim strujama, poput daljinskih upravljača, svjetiljki i prijenosnih uređaja za zabavu.

2. Sekundarne baterije

Sekundarne baterije su baterije s elektrokemijskim ćelijama čije se kemijske reakcije mogu poništiti primjenom određenog napona na bateriju u obrnutom smjeru. Nazivaju se i punjivim baterijama, sekundarne ćelije, za razliku od primarnih, mogu se ponovno napuniti nakon što se potroši energija na bateriji.

Obično se koriste u aplikacijama s velikim pražnjenjem i drugim scenarijima gdje će biti preskupo ili neizvedivo koristiti baterije s jednim punjenjem. Sekundarne baterije malog kapaciteta koriste se za napajanje prijenosnih elektroničkih uređaja kao što su mobilni telefoni i drugi uređaji i uređaji, dok se teške baterije koriste za napajanje različitih električnih vozila i drugih aplikacija s velikim pražnjenjem, poput izravnavanja opterećenja u proizvodnji električne energije. Također se koriste kao samostalni izvori energije zajedno s pretvaračima za opskrbu električnom energijom. Iako su početni troškovi nabave punjivih baterija uvijek puno veći od troškova primarnih baterija, ali su dugoročno najisplativije.

Sekundarne baterije mogu se dalje klasificirati u nekoliko drugih vrsta na temelju njihove kemije . To je vrlo važno jer kemija određuje neke od svojstava baterije, uključujući specifičnu energiju, vijek trajanja, vijek trajanja i cijenu, a spomenuti ćemo samo neke.

Slijede različite vrste punjivih baterija koje se često koriste.

Litij-ion (Li-ion)
Nikal-kadmij (Ni-Cd)
Nikal-metal-hidrid (Ni-MH)
Olovna kiselina

1. Nikal-kadmijske baterije

Nikal-kadmijska baterija (NiCd baterija ili NiCad baterija) vrsta je punjive baterije koja se razvija pomoću hidroksida nikal oksida i metalnog kadmija kao elektrode. Ni-Cd baterije odlikuju se održavanjem napona i zadržavanjem napunjenosti kad se ne koriste. Međutim, NI-Cd baterije lako postaju žrtve strašnog efekta "memorije" kada se djelomično napunjena baterija napuni, što smanjuje budući kapacitet baterije.

U usporedbi s drugim vrstama punjivih ćelija, Ni-Cd baterije nude dobar životni ciklus i performanse na niskim temperaturama s priličnim kapacitetom, ali njihova najznačajnija prednost bit će njihova sposobnost da daju svoj puni nazivni kapacitet pri velikim brzinama pražnjenja. Dostupni su u različitim veličinama, uključujući veličine koje se koriste za alkalne baterije, AAA do D. Ni-Cd stanice koriste se pojedinačno ili su sastavljene u pakiranjima od dvije ili više ćelija. Mali paketi koriste se u prijenosnim uređajima, elektronici i igračkama, dok oni veći primjenjuju u baterijama za pokretanje zrakoplova, električnim vozilima i u stanju pripravnosti.

U nastavku su navedena neka svojstva nikal-kadmijevih baterija.

Specifična energija: 40-60W-h / kg
Gustoća energije: 50-150 Wh / L
Specifična snaga: 150W / kg
Učinkovitost punjenja / pražnjenja: 70-90%
Stopa samopražnjenja: 10% / mjesec
Trajnost / životni vijek ciklusa: 2000ciklusa

2. Nikal-metal-hidridne baterije

Hidrid metal nikla (Ni-MH) je druga vrsta kemijske konfiguracije koja se koristi za punjive baterije. Kemijska reakcija na pozitivnoj elektrodi baterija slična je reakciji nikl-kadmijumske stanice (NiCd), s obje vrste baterija koje koriste isti hidroksid nikal-oksida (NiOOH). Međutim, negativne elektrode u nikal-metal-hidridu koriste leguru koja apsorbira vodik umjesto kadmija koja se koristi u NiCd baterijama

NiMH baterije nalaze primjenu u uređajima s velikim pražnjenjem zbog velikog kapaciteta i gustoće energije. NiMH baterija može imati dva do tri puta veći kapacitet od NiCd baterije iste veličine, a gustoća energije može joj se približiti litij-ionskoj bateriji. Za razliku od NiCd kemije, baterije temeljene na NiMH kemiji nisu osjetljive na "memorijski" efekt koji NiCads doživljava.

Ispod su neka svojstva baterija zasnovanih na kemiji nikal-metal-hidrid;

Specifična energija: 60-120h / kg
Gustoća energije: 140-300 Wh / L
Specifična snaga: 250-1000 W / kg
Učinkovitost punjenja / pražnjenja: 66% - 92%
Stopa samopražnjenja: 1,3-2,9% / mjesečno na 20 ^o C
Trajnost / vijek ciklusa: 180 -2000

3. Litij-ionske baterije

Litij-ionske baterije jedna su od najpopularnijih vrsta punjivih baterija. Postoji mnogo različitih vrsta litijevih baterija, ali među svim litij-ionskim baterijama najčešće se koriste. Ove litijeve baterije možete koristiti u različitim oblicima, popularno među električnim vozilima i ostalim prijenosnim uređajima. Ako želite znati više o baterijama koje se koriste u električnim vozilima, možete pogledati ovaj članak o baterijama na električna vozila. Nalaze se u različitim prijenosnim uređajima, uključujući mobilne telefone, pametne uređaje i nekoliko drugih baterijskih uređaja koji se koriste kod kuće. Također imaju primjenu u zrakoplovnoj i vojnoj primjeni zbog svoje lagane prirode.

Litij-ionske baterije su vrsta punjive baterije u kojoj litij-ioni s negativne elektrode migriraju na pozitivnu elektrodu tijekom pražnjenja i migriraju natrag na negativnu elektrodu kad se baterija puni. Li-ionske baterije koriste interkalirani spoj litija kao jedan elektrodni materijal, u usporedbi s metalnim litijem koji se koristi u litijevim baterijama koje se ne mogu puniti.

Litij-ionske baterije obično imaju visoku energetsku gustoću, malo ili nimalo memorijskog učinka i nisko se samoprazne u usporedbi s drugim vrstama baterija. Njihova se kemija, zajedno s performansama i cijenom, razlikuje u različitim slučajevima korištenja, na primjer, Li-ionske baterije koje se koriste u ručnim elektroničkim uređajima obično se temelje na litij-kobalt-oksidu (LiCoO ₂) koji osigurava visoku gustoću energije i niske sigurnosne rizike kada se ošteti dok Li-ion baterije na bazi litijevog željeznog fosfata koje nude nižu gustoću energije sigurnije su zbog smanjene vjerojatnosti da će se dogoditi nemili događaji, a naširoko se koriste za napajanje električnih alata i medicinske opreme. Litij-ionske baterije nude najbolji omjer performansi i težine s litij-sumpornim baterijama koje nude najveći omjer.

Neki od svojstava litij-ionskih baterija navedeni su u nastavku;

Specifična energija: 100: 265W-h / kg
Gustoća energije: 250: 693 Wh / L
Specifična snaga: 250: 340 W / kg
Postotak punjenja / pražnjenja: 80-90%
Trajnost ciklusa: 400: 1200 ciklusa
Nominalni napon ćelije: NMC 3,6 / 3,85 V

4. Baterije s olovnim kiselinama

Olovne baterije su jeftini pouzdani radni konj koji se koristi u teškim uvjetima rada. Obično su vrlo velike i zbog svoje težine uvijek se koriste u prijenosnim aplikacijama kao što su skladištenje energije na solarnim pločama, paljenje i svjetla u vozilu, rezervna snaga i izravnavanje opterećenja u proizvodnji / distribuciji električne energije. Olovna kiselina je najstarija vrsta punjivih baterija i još uvijek je vrlo važna i važna u današnjem svijetu. Olovne kiseline imaju vrlo niske omjere energije prema volumenu i energije prema težini, ali imaju relativno velik omjer snage i mase i kao rezultat toga mogu po potrebi isporučiti ogromne udarne struje. Ovi atributi, uz nisku cijenu, čine ove baterije atraktivnim za upotrebu u nekoliko vrlo jakih aplikacija kao što su napajanje automobilskih startnih motora i za pohranu u rezervnim izvorima napajanja.Također možete pogledati članak o olovnim baterijama koji rade ako želite saznati više o različitim vrstama olovnih baterija, njihovoj izradi i primjeni.

Svaka od ovih baterija ima svoje područje koje najbolje odgovara, a donja slika pomaže u odabiru između njih.

Odabir prave baterije za vašu aplikaciju

Jedan od glavnih problema koji ometaju tehnološke revolucije poput IoT-a je snaga, vijek trajanja baterije utječe na uspješno postavljanje uređaja koji zahtijevaju dugo trajanje baterije, a iako je usvojeno nekoliko tehnika upravljanja napajanjem kako bi baterija trajala dulje, ipak treba odabrati kompatibilnu bateriju kako bi se postigao željeni ishod.

Slijedi nekoliko čimbenika koje treba uzeti u obzir pri odabiru odgovarajuće vrste baterija za vaš projekt.

1. Energetska Gustoća: Gustoća energije je ukupna količina energije koja se može pohraniti po jedinici mase ili volumena. To određuje koliko će dugo vaš uređaj ostati prije nego što ga treba napuniti.

2. Gustoća snage: Maksimalna brzina pražnjenja energije po jedinici mase ili volumena. Niska snaga: prijenosno računalo, i-pod. Velika snaga: električni alati.

3. Sigurnost: Važno je uzeti u obzir temperaturu na kojoj će raditi uređaj koji gradite. Na visokim temperaturama, pojedini dijelovi baterije će se pokvariti i mogu pretrpjeti egzotermne reakcije. Visoke temperature općenito smanjuju performanse većine baterija.

4. Trajnost životnog ciklusa: Stabilnost gustoće energije i gustoće snage baterije s ponovljenim ciklusom (punjenje i pražnjenje) potrebna je za dugo trajanje baterije koju zahtijeva većina aplikacija.

5. Trošak: Trošak je važan dio svih inženjerskih odluka koje ćete donijeti. Važno je da su troškovi odabira baterije proporcionalni njezinim performansama i da neće nenormalno povećati ukupne troškove projekta.